Fach - Didaktik
Informationstechnologien und Elektrotechnik ETH Z¨ urich 2006
Aktive Bauelemente in der Elektronik – 1
Werkstatt
Fachdidaktik - Kurs am D-ITET im Wintersemester 2002/03
moderiert von Georgios Lekkas und Adolf Hermann Glattfelder
¨ uberpr¨ uft von Roland B¨ uchi an der Z¨ urcher Hochschule Winterthur
Inhaltsverzeichnis
I Anleitungen 4
1 Diode in Br¨uckenschaltung 6
1.1 Einleitung . . . 6
1.2 Absicht . . . 7
1.3 Aufgaben . . . 7
1.4 L¨osungsblatt . . . 9
2 Thyristor in Dimmerschaltung 11 2.1 Einleitung . . . 11
2.2 Absicht . . . 11
2.3 Aufgaben . . . 12
2.4 L¨osungsblatt . . . 13
3 Schalt-Transistor (FET) 15 3.1 Einleitung . . . 15
3.2 Absicht . . . 16
3.3 Aufgaben . . . 16
3.4 Begriffe . . . 18
3.5 L¨osungsblatt . . . 19
4 Leucht- und Photodioden 21 4.1 Einleitung . . . 21
4.2 Absicht . . . 21
4.3 Aufgaben . . . 21
4.4 Anhang . . . 24
4.5 L¨osungsblatt . . . 25
II L¨ osungsvorschl¨ age 26
1 Zu: Diode in Br¨uckenschaltung 27 1.1 Spannungsverlauf . . . 271.3 Datenbl¨atter . . . 28 1.4 Diodenauswahl . . . 28 1.5 Zusatzaufgabe . . . 28
2 Zu: Thyristor in Dimmerschaltung 29
2.1 Funktionsweise . . . 29 2.2 Datenbl¨atter, Bauteilauswahl . . . 30 2.3 Zusatzaufgabe . . . 30
3 Zu: Schalt-Transistor (FET) 31
3.1 Mikrokontroller . . . 31 3.2 Transistor . . . 31 3.3 Zusatzaufgaben . . . 33
4 Zu: Leucht- und Photodioden 34
Wozu diese Werkstatt?
Diese Werkstatt eignet sich als Unterrichtsblock in der Vorlesung Grundlagen der Elektronik an ei- ner Fachhochschule. Die Studenten wenden das Gelernte in konkreten Schaltungsbeispielen an und repetieren so ihr theoretisches Wissen. Sie lernen verschiedene Bauformen und Auswahlkriterien kennen und ¨uben den Umgang mit Datenbl¨attern.
Als didaktisches Element f¨ordert die Werkstatt das selbst¨andige Arbeiten und Lernen.
Voraussetzungen
Die Werkstatt ist gedacht als Erg¨anzung des theoretischen Wissens der Studenten und sollte deshalb unmittelbar nach dessen Vermittlung in den Unterricht eingebaut werden.
Zum Zeitpunkt der Durchf¨uhrung haben die Studenten folgenden Stoff bereits behandelt:
• Funktionsprinzip der aktiven Bauelemente und deren wesentliche Kenngr¨ossen
• Grundschaltungen der Elektronik (z.B. Br¨uckenschaltung, Transistor als Verst¨arker, . . . Noch nicht behandelt wurden:
• Verschiedene Bauformen der aktiven Bauelemente
• Umgang mit Datenbl¨attern und Katalogen
Werkstatt-Arbeitsstationen
In dieser Werkstatt sind folgende vier Arbeitsstationen enthalten:.
• Vier Arbeitsstationen zu “schaltenden” aktiven Bauelementen (Dioden, Thyristoren, Schalt- Transistoren, Optokoppler-Paare)
In den beiden weiteren “Werkst¨atten” sind enthalten:
• –2: Vier Arbeitsstationen zu Operationsverst¨arkern (Audio, zu Thermoelement, zu Dehnmess- Streifen, zu Pt100-Sensor)
• –3: Vier verschiedene Aufgaben (Stecker-Netzteil, Bitstrom-Generator, Neonr¨ohren-Starter, Watchdog)
Damit sollte ausreichend Material f¨ur zwei bis drei Durchf¨uhrungen einer Werkstatt vorhanden sein.
Organisationshinweise f¨ ur die Lehrperson
Die Auswahl der Arbeitstationen, der Ablauf, die Gruppeneinteilung und der Entscheid, ob der Werkstattstoff auch Pr¨ufungsstoff sein soll, k¨onnen nat¨urlich individuell gestaltet werden. Das h¨angt wesentlich von Faktoren wie der Klassengr¨osse, der zur Verf¨ugung stehenden Zeit, dem bereits behandelten Stoff etc., ab.
Am Anfang der Werkstatt informieren Sie kurz, was zu tun ist. Sie k¨onnen Sich dabei wirklich kurz halten, denn jeder Student besitzt ein Blatt mit den notwendigen Anweisungen. Ausserdem wird er an jeder Arbeitsstation durch den Versuch gef¨uhrt.
M¨ oglicher Ablauf
Im Folgenden wird ein Vorschlag gemacht, wie die Werkstatt organisiert werden kann. Dabei gehen wir von folgenden Annahmen aus:
• Gruppengr¨osseG= 2
• Anzahl Werkstatt-Arbeitsstationen P = 4
Mit der Klassengr¨osseZ erhalten wir das VielfacheN jeder Arbeitsstation:
N= Z P·G
Mit einer Klassengr¨osse von 24 Studenten (Z = 24) und 4 Werkstatt-Arbeitsstationen (P = 4) k¨onnte die Werkstatt folgendermassen in drei Lektionen (135 min.) durchgef¨uhrt werden:
Bei beiden Beispielen gilt:N = 3, jede Arbeitsstationen muss also 3 mal kopiert werden.
Zeit Einf¨uhrung (Lehrperson) 10 min 1. Arbeitsstation 25 min
Wechsel 3 min
2. Arbeitsstation 25 min
Wechsel 3 min
3. Arbeitsstation 25 min
Wechsel 3 min
4. Arbeitsstation 25 min Reserve / Korrektur 16 min
Total 135 min
Mit 2 weiteren Arbeitsstationen (P = 6) k¨onnte die Werkstatt optimal auf 4 Lektionen (180 min) ausgebaut werden:
Zeit Einf¨uhrung (Lehrperson) 15 min 6 Arbeitsstationen 150 min Korrektur, Auswertung 15 min
Total 180 min
Hinweis: Die einzelnen Werkstatt-Arbeitsstationen ben¨otigen m¨oglicherweise unterschiedlich viel Zeit.
Planen Sie deshalb eine Zeitreserve ein und/oder sorgen Sie daf¨ur, dass die Studierenden nicht alle zur selben Zeit den Posten wechseln m¨ussen.
Korrektur
Jeder Student erh¨alt einen Lernpass, auf dem alle Arbeitsstationen eingetragen sind. Nach Ablauf der ganzen Werkstatt oder nach Ablauf der Zeit f¨ur eine einzelne Arbeitsstation kontrollieren Sie das L¨osungsblatt jedes Studenten und best¨atigen die korrekte Versuchsdurchf¨uhrung mit Ihrem Visum auf dem Lernpass des Studenten.
Datenbl¨ atter
In dieser Werkstatt werden Datenbl¨atter zu diversen Bauteilen ben¨otigt. Sie entscheiden, ob Sie - alle Datenbl¨atter selber vorg¨angig herunterladen und kopieren
- oder den Studenten vor der Durchf¨uhrung der Werkstatt die Aufgabe geben, sich im Netz die entsprechenden Informationen zu beschaffen.
Die Datenbl¨atter k¨onnen sehr einfach mittels der Suchmaschine Google gefunden werden:
http://www.google.com
Suchbefehl:
datasheet <Bezeichnung>
z.B.
datasheet <LM741>
Verwendete Bauteile:
Bauteil Anbieter
Diode in Br¨uckenschaltung 1N4001 Fairchild Semicond.
RUR1S1560S Fairchild Semicond.
IRF1405 International Rectif.
BAP65-01 Philips Semicond.
BB148 Philips Semicond.
Thyristor in Dimmerschaltung BTH151S-650R Philips Semicond.
2N5064 Philips Semicond.
BT145B - 500R Philips Semicond.
BT145B - 600R Philips Semicond.
BT145B - 800R Philips Semicond.
Bauteil Anbieter
Transistor (FET)
J308 ON Semiconductor
ZVN2106A Solarbotics
BUK7514-55A Philips Semiconductors
Leuchtdioden TSMF3700 Vishay Telefunken TLHK5100 Vishay Telefunken TSFF5200 Vishay Telefunken TSFF5400 Vishay Telefunken TSAL6200 Vishay Telefunken
Photodioden
BPV10NF Vishay Telefunken BPV22NF Vishay Telefunken BPV22NF Vishay Telefunken TEMD1000 Vishay Telefunken
Teil I
Anleitungen
Informationen f¨ ur die Studenten
Sie werden in den n¨achsten Lektionen eine Werkstatt zum Thema aktive Bauelemente in der Elektronik bearbeiten. Sie arbeiten dabei selbst¨andig w¨ahrend den normalen Unterrichtszeiten. Es gibt 4 Werkstatt-Arbeitsstationen. Diese sind auf Ihrem Lernpass, den Sie bereits erhalten haben, aufgef¨uhrt. Sie m¨ussen alle Arbeitsstationen bearbeiten. Bei jeder Station liegt ein Arbeitsauftrag auf. Dort steht genau, welche Arbeiten Sie erledigen sollen. Lesen Sie immer zuerst die Einleitung und beginnen Sie dann mit dem Arbeitsauftrag. Bei den Stationen exisiert ein L¨osungsblatt, in welches Sie die Antworten zu den gestellten Fragen eintragen. Die ausgef¨ullten L¨osungsbl¨atter zeigen Sie mir und erhalten daf¨ur, falls die Anforderungen erf¨ullt sind, auf dem Lernpass meine Unterschrift. Den Lernpass geben Sie mir am Schluss der Werkstatt ab. Alle anderen Bl¨atter k¨onnen Sie behalten.
Lernziele:
• Funktionsweise der Bauelemente in typischen elektronischen Schaltungen verstehen
• Auswahl der geeigneten aktiven Bauelemente anhand der Datenbl¨atter lernen
• Die wichtigsten Kenngr¨ossen erkennen und die Bauelementauswahl begr¨unden k¨onnen Die Aufgaben sind erf¨ullt, wenn
• die richtigen Bausteine gew¨ahlt wurden
• die Auswahl auf dem L¨osungsblatt schriftlich begr¨undet wurde
Lernpass
Arbeitsstation Visum
Kapitel 1
Diode in Br¨ uckenschaltung
Autor: David Gehring
1.1 Einleitung
Diese Werkstatt-Arbeitsstation behandelt die Diode als Bauelement. Dabei sollen anhand einer Br¨uckenschaltung einige Berechnungen durchgef¨uhrt werden. Mit Datenbl¨attern soll die f¨ur die gegebene Anwendung beste Diode herausgesucht werden.
Dioden sind Bauelemente mit zwei Anschl¨ussen und stromrichtungsabh¨angigem Widerstand. Ver- schiedene Kennzeichnungen sind in Abbildung 1.1 gezeigt.
Abbildung 1.1: Drei verschiedene Darstellungen einer Diode
Eine typische Kennlinie ist in Abbildung 1.2 gezeigt
Abbildung 1.2: Allgemeiner Plot einer Diodenkennlinie
In den Aufgaben gehen wir davon aus, dass die Diode eine ideale Kennlinie besitzt (Abbildung 1.3).
Abbildung 1.3: Kennlinie der idealen Diode
1.2 Absicht
Das Ziel dieser Arbeitsstation ist, dass Sie sich mit den verschiedenen Diodentypen auseinander- setzen und ihre wichtigsten Kenndaten repetieren. Somit sollten Sie sich ohne Probleme in den Datenbl¨attern zu den verschiedenen Dioden zurechtfinden.
1.3 Aufgaben
1.3.1 Spannungsverlauf
Es sei eine Br¨uckenschaltung wie in Abbildung 1.4 gegeben. Am Spannungseingang liege eine sinusf¨ormige Spannung mit folgenden Kenndaten an:
Abbildung 1.4: Br¨uckenschaltung
Uin=Ainsin(ωint) Ain= 12V fin= 50Hz
Zeichnen Sie die zur Abbildung 1.5 entsprechende AusgangsspannungUout
Hinweis: Unterscheiden Sie zwischenUin>0 und Uin<0 (ideale Diodenkennlinie)
Abbildung 1.5:Uin
1.3.2 Laststrom
Am Ausgang h¨ange eine ohmsche LastRL= 20Ω.
Berechnen Sie die den Strom, der durch die LastRLfliest. Was f¨ur ein Strom fliesst jeweils durch eine ideale Diode?
1.3.3 Datenbl¨ atter
Schauen Sie sich die Datenbl¨atter zuerst an, um eine ¨Ubersicht zu gewinnen!
Die wichtigen Daten befinden sich immer am Anfang des Datenblattes. Achten Sie auch darauf, dass immer die maximale Belastung sowie der Arbeitspunkt angegeben ist.
Eine ¨Ubersicht ist folgend gegeben:
Referenz Typ Bezeichnung
A Si-Diode 1N4001
B Schottky-Diode RUR1S1560S
C MOS-Diode IRF1405
D PIN-Diode BAP65-01
E VHF-Diode BB148
Welche Dioden k¨onnen sofort als unpassend ausgeschieden werden? Geben Sie eine Begr¨undung an.
1.3.4 Diodenauswahl
Die Schaltung soll m¨oglichst klein sein und ohne zus¨atzliche K¨uhlk¨orper auskommen. Was f¨ur eine Leistung f¨allt jeweils ¨uber den von Ihnen ausgew¨ahlten Dioden ab? Treffen Sie eine endg¨ultige Entscheidung.
1.3.5 Zusatzaufgabe
Es wird nun noch zu Uout ein Kondensator parallel geschaltet. Zeichnen Sie in den bereits aus- gef¨ullten Ausgansspannungsverlauf mit einer anderen Farbe den neuen Spannungsverlauf ein. Was ist der Zweck solch eines Kondensators?
An der Last tritt nun ein Kurzschluss auf. ¨Uberlebt das die von Ihnen gew¨ahlte Diode?
Hinweis: Die Diode ist nicht ideal und hat somit einen Innenwiderstand.
1.4 L¨ osungsblatt
1.4.1 Spannungsverlauf
Gegebene Eingangsspannung:
Zugeh¨origer Verlauf der Ausgangsspannung:
1.4.2 Laststrom
Zeichnen Sie den Laststrom ein:
Und den Strom durch eine Diode:
1.4.3 Datenbl¨ atter
Welche Dioden sind f¨ur die Schaltung ungeeignet? Weshalb?
1.4.4 Diodenauswahl
Getroffene Auswahl mit Begr¨undung:
1.4.5 Zusatzaufgabe
Zeichnen Sie die neue Ausgangsspannung oben mit einer anderen Farbe ein. Was ist der Zweck des Kondensators? Was passiert im Falle eines Kurzschlusses an der Last?
Kapitel 2
Thyristor in Dimmerschaltung
Autor: Christian Eisenhut
2.1 Einleitung
Die vorliegende Werkstatt-Arbeitsstation besch¨aftigt sich mit dem Thyristor als Bauelement. An- hand einer einfachen Thyristorschaltung mit ohmscher Last (Abbildung 2.1) repetieren Sie die Funktionsweise des Thyristors und w¨ahlen mit Hilfe von 3 Thyristordatenbl¨attern ein geeignetes Bauteil aus.
Schaltungstopologien dieser Art werden beispielsweise f¨ur die Helligkeitssteuerung von sehr lei- stungsstarken Lampen verwendet. Der wesentliche Vorteil der Schaltung liegt in ihrem hohen Wirkungsgrad.
Abbildung 2.1: steuerbare Einweggleichrichterschaltung mit ohmscher Last
2.2 Absicht
Das Ziel dieser Werkstatt-Arbeitsstation ist die Auseinandersetzung mit verschiedenen Thyristor- typen und ihren, f¨ur die Realisierung obiger Schaltung, wesentlichen Kenndaten. Sie ¨uben somit den Umgang mit verschiedenen Datenbl¨attern.
2.3 Aufgaben
In der vorgegebenen Zeit sollten Sie die Aufgaben 2.3.1 und 2.3.2 l¨osen k¨onnen. Falls Sie noch Zeit haben, l¨osen Sie zus¨atzlich die Aufgabe 2.3.3. Die L¨osungen notieren Sie auf beiliegendem L¨osungsblatt.
2.3.1 Funktionsweise
Gegeben ist die Schaltung aus Abbildung 2.1. Der Z¨undwinkel des Thyristors, die Wechselspannung u1sowie der Widerstand Rdes Verbrauchers sind bekannt.
u1=U·sin(ωt) U =√
2·Uef f
Uef f = 230V f = 50Hz R= 13.2Ω
1. Wie gross ist die maximale Leistung des Verbrauchers (w¨ahlen Sieα= 0◦)?
2. Zeichnen Sie auf dem L¨osungsblatt folgende Zeitverl¨aufe (α= 30◦):
a) Z¨undimpuls ig am Gate des Thyristors:ig=f(t) b) Spannungud an der Last:ud=f(t)
c) Spannung uuber dem Thyristor T:¨ u=f(t)
2.3.2 Datenbl¨ atter, Bauteilauswahl
Sie ben¨otigen 3 verschiedene Datenbl¨atter der Thyristortypen
• BTH151S-650R,
• 2N5064 und
• BT145B series.
3. Begr¨unden Sie, welche Thyristortypen f¨ur die Schaltung aus Abbildung 2.1 in Frage kommen und welche nicht. Tragen Sie dazu die relevanten Kenndaten ins L¨osungsblatt ein.
2.3.3 Zusatzaufgabe
Im Stromnetz kann es aus diversen Gr¨unden ¨Uberspannungen geben, die die Bauteile einer Schal- tung belasten k¨onnen. Aufgrund der ohmschen Last in unserer Schaltung steigt bei kurzzeitigen Uberspannungen auch der Strom an.¨
4. a) Wie hoch darf eine kuzzeitige ¨Uberspannung maximal sein, damit die ausgew¨ahlten Thyristoren nicht besch¨adigt werden?
b) Welche Bedingungen m¨ussen dabei erf¨ullt sein?
2.4 L¨ osungsblatt
2.4.1 Funktionsweise
1. Maximale Leistung an der LastR:P = 2. a) Z¨undimpuls ig am Gate des Thyristors:
ig=f(t)
b) Spannungud an der Last:
ud=f(t)
c) Spannung uuber dem Thyristor T:¨ u=f(t)
2.4.2 Datenbl¨ atter, Bauteilauswahl
Bauteil Parameter 1 Parameter 2 BTH151S-650R
2N5064
BT145B - 500R BT145B - 600R BT145B - 800R
3. Gew¨ahlte Thyristortypen:
Begr¨undung:
2.4.3 Zusatzaufgabe
4. a) Kurzzeitige ¨Uberspannung:Umax=
b) Bedingungen:
Kapitel 3
Schalt-Transistor (FET)
Autor: Thomas Degen
3.1 Einleitung
In dieser Werkstatt-Arbeitsstation bekommen Sie einen Einblick in die Verwendung eines Tran- sistors als Schalter. Die Auswahl des geeigneten Transistors sollen Sie selber treffen. Als Hilfe bekommen Sie die Datenbl¨atter der verschiedenen Komponenten. An Hand von ein paar wenigen Rechnungen werden Sie die zu Grunde liegende Schaltung analysieren und Ihre Wahl begr¨unden k¨onnen.
Transistoren sind wohl die am meisten verwendeten Grundbausteine der modernen Elektronik. Seit der Erfindung im Jahr 1947 durch William Shockley und seine Mitarbeiter wurde der Transistor im- mer weiterentwickelt. Die grundlegende Funktion ist aber die gleiche geblieben: Ein grosser Strom wird durch einen kleinen Strom (Bipolar-Transistor) oder eine kleine Spannung (FET-Transistor) gesteuert. Im vorg¨angigen Unterricht wurde genauer auf die Eigenschaften und Kennlinien der verschiedenen Transistoren eingegangen.
In der Abbildung 3.1 sehen Sie zwei Bauarten des Transistors und die verwendeten Kennzeichnun-
G D
VGS S
ID B
E C ICE IB
NPN−Bipolar Transistor
strom−
gesteuerte Stromquelle
N−MOSFET Transistor
spannungs−
gesteuerte Stromquelle
Abbildung 3.1: zwei Bauarten eines Transistors
gen: MOS steht f¨ur Metal-Oxyd-Semiconductor und weist auf die Struktur dieser FET-Transistoren hin. FET steht f¨ur Field-Effect-Transistor. Die dargestellten Symbole weichen etwas von der IEC- Norm ab. Zeichnen Sie deshalb die korrekte Form auf Ihr L¨osungsblatt.
In dieser Arbeitsstation besch¨aftigen wir uns mit dem Einsatz eines Transistors als Schalter. Dazu
neren Stromverbrauch auf als ein Bipolar-Transistor, da kein Basisstrom fliesst. Der N-FET hat im durchgeschaltenen Zustand einen kleineren Widerstand als der entsprechende P-FET, da sich Elektronen mit weniger Widerstand bewegen k¨onnen als L¨ocher.
Der Transistor wird dabei entweder gesperrt (VGS ≤ VT) oder durchgeschaltet (VGS = Vmax).
Vmax bezeichnet dabei die maximal zur Verf¨ugung stehende bzw. erlaubte Spannung. F¨ur kleine Drain-Source Spannungen (VDS ≤(VGS−VT)) verh¨alt sich der MOS-FET wie ein Widerstand.
Dessen Wert wird in den Datenbl¨attern meist mitRDSon angegeben.
3.2 Absicht
Nach dem Sie diese Arbeitsstation bearbeitet haben, sollten Sie imstande sein, den Einsatz eines N-FET MOS-Transistors als Schalter zu verstehen. In Zukunft sollen Sie selber den geeigneten Transistor finden und einsetzen k¨onnen. Gleichzeitig sollen Sie sich mit den entsprechenden Da- tenbl¨attern auseinandersetzen und die darin verwendeten Ausdr¨ucke verstehen.
3.3 Aufgaben
Abbildung 3.2 zeigt eine Mikrokontroller gesteuerte Schaltung, die zum Beispiel in Abwesenheit der Bewohner das Licht (oder die Waschmaschine etc.) ein- und ausschalten kann. Dazu wird neben dem Mikrokontroller ein Transistor und ein Relais verwendet. Als Spannungsversorgung
230V
3.3V 5V
out
R
Mikro Kontroller
Abbildung 3.2: Die von uns entworfene Schaltung zur programmierbaren Ansteuerung des Lichts, (vgl. Anmerkung oben zum IEC-Norm-Symbol)
wird eine ungeregelte 5V Speisung verwendet, aus der auch die geregelte 3.3V Spannung f¨ur den Mikrokontroller abgeleitet wird.
3.3.1 Mikrokontroller
Sie sollen den Leistungssparenden Mikrokontroller MSP430 von Texas Instruments verwenden.
Im Anhang finden Sie dessen Datenblatt und darin den Aufbau der internen Treiberschaltung eines Ausgangpins. Diese interne Schaltung besteht aus einer Ansteuerlogik und zwei MOS-FET Transistoren. Der Mikrokontroller wird mit der Spannung V CC = 3V betrieben. Im Anhang finden Sie das Datenblatt des von uns gew¨ahlten Relais (”Standard Type 5V”).
Fragen:
1a) Warum kann das Relais nicht direkt vom Mikrokontroller geschaltet werden? Es gibt zwei verschieden Gr¨unde, finden Sie beide!
1b) Welcher Strom kann maximal aus einem Output-Pin fliessen (die Ausgangsspannung soll mindestens 3.05V betragen)?
1c) Welcher Strom kann maximal in einen Output-Pin fliessen (die Eingangsspannung soll h¨ochsten 0.25V betragen)?
3.3.2 Transistor
Wiederum im Anhang finden Sie die Datenbl¨atter von drei Transistoren
• J308,
• ZVN2106A und
• BUK7514-55A,
welche bei Ihnen in der Firma an Lager sind. Sie sollen einen Prototypen bauen. W¨ahlen Sie dazu den Transistor aus, der sich f¨ur diese Schaltung am Besten eignet.
Fragen:
2a) Finden Sie im Datenblatt den Innenwiderstand der Relais-Spule.
2b) Welcher Strom muss maximal durch den Transistor fliessen?
2c) Welcher Zweck erf¨ullt der Widerstand zwischen Gate und Source? W¨ahlen Sie einen Wert f¨ur den WiderstandR und begr¨unden Sie Ihre Wahl.
2d) W¨ahlen Sie den Transistor aus den Datenbl¨attern aus, der sich am besten eignet.
2e) Schreiben Sie zu jedem der drei Transistoren kurz auf, warum Sie diesen gew¨ahlt oder eben nicht gew¨ahlt haben.
3.3.3 Zusatzaufgaben
Falls Sie noch gen¨ugend Zeit haben sollen Sie bitte die folgenden zwei Fragen beantworten:
3a) Die Schaltung wird so aufgebaut. Jedes Mal wenn das Licht ausgeschaltet wird, f¨allt der Mikroprozessor in seinen Initialzustand zur¨uck. Was mag die Ursache sein?
3b) ¨Uberlegen Sie sich m¨ogliche L¨osungen zu diesem Problem und zeichnen Sie entsprechende Korrekturen ins L¨osungsblatt.
3c) Der Zustand des Relais soll mittels einer Leuchtdiode dargestellt werden. Es steht Ihnen dazu ein weiterer Output-Pin zur Verf¨ugung. Vervollst¨andigen Sie die Zeichnung im L¨osungsblatt und begr¨unden Sie Ihre Wahl.
3.4 Begriffe
FET Field-Effect Transistor: Der Strom durch Drain und Source wird durch ein Feld gesteuert.
Das Feld wiederum wird durch die Spannung zwischen Gate und Source erzeugt.
MOS Metall Oxide Semiconductor: Spezielle Bauweise eines FET-Transistors. Das Gate aus Metall wird vom Drain-Source Kanal (Halbleiter) durch eine Oxidschicht getrennt. Es fliesst kein Strom zwischen Gate und Source.
JFET Junction Field-Effect Transistor: ein Transistor, bei dem das Gate nicht durch eine Oxid- schicht vom Drain-Source Kanal getrennt wird. Im aktiven Bereich fliesst somit immer ein Gate-Source Strom.
DMOS Double Diffusion Metal Oxide Silicon: ein MOS-Transistor, der senkrecht statt horizontal gebaut wird. Drain ist auf der R¨uckseite des Halbleiters. Dadurch k¨onnen h¨ohere Spannungen geschalten werden.
3.5 L¨ osungsblatt
3.5.1 Normgerechte Symbole
f¨ur Bipolar- und FeldEffekt-Transistoren, und f¨ur jeweils beide Dotierungen zeichnen.
3.5.2 Mikrokontroller
1a) Die Gr¨unde sind:
1b) Es fliessen maximal mA 1c) Es fliessen maximal mA
3.5.3 Transistor
2a) Der Innenwiderstand betr¨agt Ω
2b) Durch den Transistor fliessen maximal mA 2c) Zweck des Widerstands:
von mir gew¨ahlter Wert:
2d) Name des von mir gew¨ahlten Transistors:
2e) Begr¨undung:
J308:
ZVN2106A:
BUK7514-55A:
3.5.4 Zusatzaufgaben
3a) Ursache des unerw¨unschten Resets:
3b) Zeichnen Sie einen Verbesserungsvorschlag:
230V
3.3V 5V
out
R
Mikro Kontroller
Abbildung 3.3: Schaltung zum Verbessern
3c) Zeichnen Sie die fehlenden Verbindungen im Schema:
3.3V
Kontroller Mikro
out
Abbildung 3.4: Ansteuerung einer LED
Kapitel 4
Leucht- und Photodioden
Autor: Dario Ammann
4.1 Einleitung
Diese Arbeitsstation befasst sich mit Leucht- und Photodioden. Wie Sie aus der Vorlesung wissen, basiert das Funktionsprinzip der Leuchtdioden (LED) und der Photodioden bei beiden auf dem inneren photovoltaischen Effekt. Bei der Leuchtdiode vereinigt sich (rekombiniert) ein Elektronen- Loch-Paar, wobei ein Photon entsteht. Bei den Photodioden wird ein Elektronen-Loch-Paar von einem Photon erzeugt. In der Aufgabe befassen wir uns mit der Auslegung der Leucht- und Photo- diode f¨ur eine Kommunikationslichtschranke anhand von gegebenen Spezifikationen. Schaltungen dieser Art werden beispielsweise verwendet um zwei Systeme elektrisch voneinander zu entkoppeln.
4.2 Absicht
Das Ziel dieser Werkstatt-Arbeitsstation ist die Einf¨uhrung in das Auslegungsprinzip von Leucht- und Photodioden - Kombinationen. In der Suche nach relevanten Auslegungskenngr¨ossen wird der Umgang mit Datenbl¨attern ge¨ubt.
F¨ur diese Arbeitsstation steht Ihnen die doppelte Bearbeitungszeit zur Verfgung.
4.3 Aufgaben
Die Schaltung in Abbildung 4.3 stellt eine Lichtschranke mit einer Leuchtdiode und einer Pho- todiode dar. Die Lichtschranke soll zur ¨Ubertragung von seriellen Daten genutzt werden. Diese Methode wird zum Teil verwendet um zwei Systeme elektrisch voneinander zu entkoppeln. Deshalb sind auch die dynamischen Effekte der Komponenten (Schaltgeschwindigkeiten) wichtig. Ziel dieser Aufgabe ist die Auslegung der Leuchtdiode und der Photodiode f¨ur eine Kommunikationslicht- schranke anhand der gegebenen Spezifikationen. F¨ur die Berechnungen wird nur der eingerahmte Teil der Schaltung betrachtet. Der restliche Teil der Schaltung ist nur vollst¨andigkeitshalber auf- gezeichnet.
Die Spezifikationen der Schaltung sind:
• Lichtschrankenabstand d= 10mm
Abbildung 4.1: Schaltung der Lichtschranke
• maximaler Ausgangsstrom: I2max = 1mA(beiI1=I1max)
• Schaltgeschwindigkeiten der Leuchtdiode:tS <80ns
• Schaltgeschwindigkeiten der Photodiode: tS <80ns
• Billigste Kombination von Leucht- und Photodiode
4.3.1 Kombination von Leucht- und Photodioden
Finden Sie die billigste Kombination von Leucht- und Photodiode, die obige Spezifikationen erf¨ullt.
Verwenden Sie dazu als Hilfe die untenstehende Tabelle.
Bauteil Anbieter Leuchtdioden
TSMF3700 Vishay Telefunken TLHK5100 Vishay Telefunken TSFF5200 Vishay Telefunken TSFF5400 Vishay Telefunken TSAL6200 Vishay Telefunken
Photodioden
BPV10NF Vishay Telefunken BPV22NF Vishay Telefunken BPV22NF Vishay Telefunken TEMD1000 Vishay Telefunken Die Datenbl¨atter finden Sie in Ihren Unterlagen.
Hinweis: Bei der schrittweisen Abarbeitung der untenstehenden Auslegungskriterien werden ge- wisse Leucht- und Photodioden - Kombinationen wegfallen. Am Schluss bleiben noch wenige Kom- binationen ¨ubrig. Aus diesen soll dann die billigste Kombination ausgew¨ahlt werden.
Achten Sie auf folgende Merkmale:
• falsches Spektrum (Leucht- und Photodiode)
• zu langsam (Leucht- und Photodiode)
• starke / mittlere / schwache Abstrahlung (Leuchtdiode)
• starke / mittlere / schwache Empfangsumsetzung (Photodiode)
Hierzu noch ein paar Erl¨auterungen:
1. Spektren der Leucht- und Photodioden (Range of Spectral Bandwidth)Die Spek- tren von der Leucht- und der Photodiode des Lichtschrankenaufbaus m¨ussen im gleichen Bereich liegen.
2. Schaltgeschwindigkeit der Leuchtdioden (Rise Time, Fall Time) Die Leuchtdiode muss die in den Spezifikationen gegebene Schaltgeschwindigkeit erf¨ullen.
3. Schaltgeschwindigkeit der Photodioden (Rise Time, Fall Time) Die Photodiode muss die in den Spezifikationen gegebene Schaltgeschwindigkeit erf¨ullen.
4. Ubertragungsbilanz der Leucht- und Photodioden Kombinationen¨ Die Leucht- und Photodi- oden Kombination muss den in den Spezifikationen gegebenen maximalen Ausgangsstrom liefern k¨onnen. In den folgenden Schritten wird eine vereinfachte Gleichung f¨ur die Herlei- tung der ¨Ubertragungsfunktion vom Eingangsstrom zum Ausgangsstrom hergeleitet.
Eingangsstrom⇒gesamte Lichtleistung Radiant Power:φe [W] beiI1= 100mA
gesamte Lichtleistung⇒Lichtleistung auf Photodiodenoberfl¨ache
Zur Vereinfachung der Rechnung werden wir nicht mit Kugelober߬achen, sondern mit Kreis- ߬achen rechnen.
Abbildung 4.2: Geometrische Anordnung der Lichtschranke
Es gilt: rd = tanα
F¨ur die Ausleuchtfl¨ache im Abstanddgilt:ALED =r2π= (d tanα)2 π Das Fl¨achenverh¨altnis ist dann:AV =AAP hotoD
LED = (dAtanP hotoDα)2 π
Unter der Annahme, dass die Leistung homogen ¨uber die Ausleuchtfl¨ache im Abstand d verteilt ist, ist das Fl¨achenverh¨altnis gleich dem Leistungs¨ubertragungsverh¨alnis von der Leuchtdiode zur Photodiode.
Lichtleistung auf Photodiodenoberfl¨ache⇒Ausgangstrom Absolute Spectral Sensitivity:s(λ) [A/W]
Die Berechnung des Photodiodenstromes I2 erfolgt dann wie folgt : (beiI1= 100 mA) I = s(λ)· A ·φ | =s(λ)· AP hotoD ·φ
mit den Einheiten:
s(λ) : A
W
;AV : [−];φe: W
A
Hinweis: Bei TSFF 5200 ist dies in [W] beiI= 100mAangegeben.
5. Kosten der Leuchtdioden- und Photodioden-Kombinationen
F¨ur die verbleibenden m¨oglichen Kombinationen soll jetzt mit Hilfe der Preisliste die billigste Variante gefunden werden. Die Preisliste befindet sich im Anhang.
4.4 Anhang
4.4.1 m¨ ogliche Auslegungskriterien
- LED-Abstrahlintensit¨at:Umsetzungsverh¨altnis des Stroms in Licht - PhotoD-Empfindlichkeit:Umsetzungsverh¨altnis von Licht in Strom
- Schaltgeschwindigkeiten der LED:Gibt eine Aussage ¨uber die Zeit die es dauert bis die Leuchtdiode auf einen Stromsprung reagiert. (Rise Time, Fall Time)
- Schaltgeschwindigkeiten der PhotoD: Gibt eine Aussage ¨uber die Reaktionszeit der Photodiode auf einen Lichtsprung (Rise Time, Fall Time)
- Abstrahlwinkel der LED:Gibt eine Aussage ¨uber welchen Winkel sich die gesamte Licht- menge verteilt.
- Empfangswinkel der PhotoD: Gibt eine Aussage ¨uber welchen Winkel die Photodiode Licht detektiert.
- LeD-Oberfl¨ache:Oberfl¨ache, auf der die Leuchtdiode abstrahlt.
- PhotoD-Oberfl¨ache:Oberfl¨ache, auf der die Photodiode Licht detektiert.
- LED-Spektrum:Abstrahlintensit¨at der Leuchtdiode f¨ur bestimmte Lichtwellenl¨angen. Ziel dieses begrenzten Abstrahlspektrums ist die Effizienz im Verh¨altnis zum Umgebungslicht zu steigern.
- PhotoD-Spektrum:Sensitivit¨at der Photodiode f¨ur bestimme Lichtwellenl¨angen. Ziel eines zus¨atzlichen Eingangsfilters ist es, den Einfluss von Umgebungslicht zu reduzieren.
- Temperaturempfindlichkeit:Alle Dioden sind temperaturabh¨angig.
- Abmessungen: Die Dioden sollen an den daf¨ur vorgesehen Orten auch gen¨ugend Platz haben.
- Preis:Bei der Massenproduktion von Produkten lohnen sich schon kleine preisliche Einspa- rungen.
4.4.2 Preislisten (Sommer 2003)
LEDs [SFr]
TSMF3700 0.35 TLHK5100 0.20 TSFF5200 0.45 TSFF5400 0.40
Photodioden [SFr]
BPV10NF 1.30 BPV22NF 1.50 BPV23NF 1.50 TEMD1000 1.20
4.5 L¨ osungsblatt
LED Photodiode
BPV10NF BPV22NF BPV23NF TEMD1000 Beschreibung:
TSMF3700
TLHK5100
TSFF5200
TSFF5400
TSAL6200
Beschreibung:
Teil II
L¨ osungsvorschl¨ age
Kapitel 1
Zu: Diode in Br¨ uckenschaltung
Autor: David Gehring
1.1 Spannungsverlauf
Den Spannungsverlauf sehen Sie in Abbildung 1.1.
Abbildung 1.1: Spannungsverlauf
1.2 Laststrom
Den Laststrom erkennen Sie in Abbildung 1.2, den Strom durch eine Diode in Abbildung 1.3
Abbildung 1.2: Laststrom
Abbildung 1.3: Strom durch eine Diode
1.3 Datenbl¨ atter
Folgende Dioden sind f¨ur die Schaltung ungeeignet:
Ref. Diode Begr¨undung
D BAP65-01 Mit 100mA Vorw¨artsstrom ist Diode zu klein E BB148 Mit 20mAVorw¨artsstrom ist Diode zu klein
1.4 Diodenauswahl
Ref. Diode Verlustleistung Erw¨armung Junction A 1N4001 ca. 12·0.8V ·400mA= 0.3W 7.5K
B RUR1S1560S ca. 12·0.7V ·400mA= 0.25W 7.5K C IRF1405 ca. 12·0.7V ·400mA= 0.25W 7.5K
Schlussendlich wird die Diode A (1N4001) gew¨ahlt, da dieses Bauteil wohl am billigsten ist. Den leicht h¨oheren Spannungsabfall und damit der h¨ohere Verlust nimmt man in Kauf, da dies bei unserer Anwendung unkritisch ist.
1.5 Zusatzaufgabe
Der Kondensator macht den Gleichrichter zu einem Spitzenwert-Gleichrichter. Die Spannung wellt weniger, d. h. sie kommt einer DC-Spannung n¨aher. Es wird ebenfalls der Effektivwert angehoben (um nahezu auf den Spitzenwert, also um den Faktor√
2).
Jedoch wird der Eingangsstrom verzerrt. Es treten starke Strom-Peaks auf, die den zul¨assigen Maximalstrom ¨ubersteigen k¨onnen.
Im Kurzschlussfall f¨allt die volle Quellenspannung an zwei Dioden ab und ein entsprechender Strom stellt sich ein. Die Diode wird zerst¨ort.
Kapitel 2
Zu: Thyristor in Dimmerschaltung
Autor: Christian Eisenhut
2.1 Funktionsweise
1. Maximale Leistung des Verbrauchers: Bei Z¨undwinkel α= 0◦ wirkt der Thyristor wie eine (ideale) Diode, wobei die Leistung maximal ist.
Pmax=12· UeffR2 = 2kW
2. a) Z¨undimpuls ig am Gate des Thyristors (ig=f(t)):
b) Spannungud an der Last (ud =f(t)):
c) Spannung uuber dem Thyristor T (¨ u=f(t)):
2.2 Datenbl¨ atter, Bauteilauswahl
Relevante Kenndaten der Thyristoren:
Bauteil VDRM,VRRM IT(RM S)
BTH151S-650R 650V 12A
2N5064 200V 0.8A
BT145B - 500R 500V 25A
BT145B - 600R 600V 25A
BT145B - 800R 800V 25A
3. Gew¨ahlte Thyristortypen:Alle drei Thyristortypen der Serie BT145B series.
Begr¨undung: Die wiederkehrende Spannung ¨uber dem Thyristor istU =√
2·Uef f = 325V, der wiederkehrende Strom I= UR = 24.6A. Nur die Thyristoren aus der BT145B - Serie gen¨ugen beiden Anforderungen.
2.3 Zusatzaufgabe
4. a) F¨ur alle drei m¨oglichen Thyristortypen der BT145B-Serie gilt: IT SM = 300A. Es folgt somit: Umax =IT SM·R = 3.96kV. Die Thyristortypen der BT145B-Serie ¨uberleben also eine kurzzeitige ¨Uberspannung von 4kV.
b) Die ¨Uberspannung sollte ann¨ahernd die Form einer Sinushalbwelle haben und nicht l¨anger als 10msdauern.
Kapitel 3
Zu: Schalt-Transistor (FET)
Autor: Thomas Degen
3.1 Mikrokontroller
1a) Der erste Grund ist:das Relais ben¨otigt 5V Betriebsspannung, der Ausgang vom Mikrokon- troller kann nur maximal 3.3V liefern. W¨urde das Relais ausgeschaltet, liegen 5V am Pin, die Schutzdioden des Mikrokontrollers w¨urden ansprechen und es fliesst doch ein Strom Der zweite Grund ist:Der Pin k¨onnte nie die geforderten 100mA Strom liefern
1b) Es fliessen maximal1mAaus dem Pin 1c) Es fliessen maximal1.5mAin den Pin
in Aufgabe 1b) und 1c) wird die maximale bzw. minimale Ausgangsspannung ber¨ucksichtigt.
Es k¨onnen auch 6mA in einen Output-Pin fliessen, dann ist die Spannung am Eingang aber nicht mehr maximal 0.25V, sondern kann bis zu 0.6V betragen.
3.2 Transistor
2a) Der Innenwiderstand betr¨agttypischerweise 47Ω.
Um sicher zu sein, dass die Schaltung immer funktioniert, m¨ussen Sie mit dem kleinst m¨oglichen Innenwiderstand rechnen. Der ist 47Ω-10%. Also etwa 42Ω.
2b) Durch den Transistor fliessen maximal 119mA.
Berechnet mit einem minimalen Innenwiderstand von 42Ω 2c) Zweck des Widerstands:
der Widerstand soll sicher stellen, dass beim Einschalten des Mikrokontrollers nicht schon eine parasit¨are Ladung auf dem Gate des Transistors das Relais einschaltet.
gew¨ahlter Wert:
ein m¨oglichst grosse Widerstand verringert den Stromverbrauch im eingeschaltenen Zustand.
Vorschlag: 100kΩ.
2d) Name des von Ihnen gew¨ahlten Transistors: ZVN2106A
2e) J308:
dieser Transistor leitet schon bei VGS= 0V, der Mikrokontroller kann das Relais gar nicht ausschalten. Das ist das typische Verhalten eines J-FETs. J steht dabei f¨ur Junction und weist darauf hin, dass das Gate des Transistors nicht wirklich isoliert ist, sondern aus einer in Sperrrichtung gepolter Diode aufgebaut ist
ZVN2106A:
Auch dieser Transistor reicht nur knapp. Die Schwellspannung VT ist sicher unter 3.3V.
Doch der Spannungsabfall ¨uberVDS ist bei 100mA gesch¨atzt etwa 0.5V (aus dem Datenblatt nur sehr schwer zu sch¨atzen). Am Relais m¨ussten maximal 3.5V anliegen. Sind alle Kom- ponenten im spezifizierten Bereich wird das Relais schalten. Der Transistor ist eigentlich gem¨ass Datenblatt f¨ur h¨ohere VGS ausgelegt. Im Notfall m¨ussen Sie zwei oder drei Transi- storen aus Ihrem Lager ausprobieren
BUK7514-55A:
dieser Transistor hat eine Schwellspannung VT, die ¨uber den 3.3V liegen kann. Der Mikro- kontroller mag diesen Transistor eventuell gar nicht einschalten. Auch wenn die Schwell- spannung unter 3.3V liegt, ist der Widerstand zwischen Drain und Source so hoch, dass bei den geforderten 100mA f¨ur das Relais nicht mehr gen¨ugend Spannung ¨uber dem Relais anliegen wird. Es werden gar keine 100mA fliessen, und das Relais bleibt ausgeschaltet.
3.3 Zusatzaufgaben
3a) Ursache des unerw¨unschten Resets:
Beim Ausschaltvorgang k¨onnen an der Spule des Relais sehr hohe Spannungsspitzen auf- treten. ¨Uber die gemeinsame Masse oder auch ¨uber die Spannungsversorgung k¨onnen solche Spannungsspitzen unter anderem auch den Mikrokontroller zur¨ucksetzen. Wenn zum Beispiel die Versorgungsspannung des Mikrokontrollers kurzzeitig unter die minimale Spannungslimi- te f¨allt.
3b) Zeichnen Sie einen Verbesserungsvorschlag:
230V 5V
3V
out Kontroller
R
Mikro
Es gibt verschiedene M¨oglichkeiten. Die Freilaufdiode ist auf jeden Fall n¨otig. Weiter kann der Abschaltvorgang mittels einer Kapazit¨at verlangsamt werden. Oder das Relais kann durch ein Halbleiter-Relais mit getrennter Masse (Optokoppler) ersetzt werden.
3c) Zeichnen Sie die fehlenden Verbindungen im Schema:
Kontroller Mikro
out
3V 3V
Ansteuerung einer LED: der Eingangswiderstand des Output-Pins ist geringer als dessen Ausgangswiderstand. Deshalb wird die Diode nach Masse gezogen. Die Position des Vor- widerstands der Diode hat keinen Einfluss auf die Schaltung. Bei mehreren Dioden an ver- schiedenen Pins werden die verschiedenen Vorwiderst¨ande oft in einem Array zusammenge- fasst. Dann kommt der Vorwiderstand unabdingbar vor die Diode.
Kapitel 4
Zu: Leucht- und Photodioden
Autor: Dario Ammann
L¨osung 1:
Photodiode
BPV10NF BPV22NF
TSMF3700 O X
TLHK5100 XX X / XX
LED TSFF5200 $$$ X
TSFF5400 O X
TSAL6200 X X
Beschreibung: mittlere Empf.-Umsetzg zu langsam: 100ns
L¨osung 2:
Photodiode
BPV23NF TEMD1000 Beschreibung:
O O schwache Abstrahlung
XX XX falsches Spektrum: 565nm
O starke Abstrahlung
O mittlere Abstrahlung
X X zu langsam: 800ns
Empf.-Ums. stark Empf.-Ums. schwach
X : unm¨oglich aufgrund von Schaltgeschwindigkeit XX: unm¨oglich aufgrund von Spektrum
O : unm¨oglich aufgrund von ¨Ubertragungsbilanz
$$$: billigste der verbleibenden Kombinationen
Ubertragungsbilanz:¨
Photodiode
BPV10NF BPV23NF TEMD1000
TSMF3700 0.014566 mA 0.11612 mA 0.0046685 mA
LED TSFF5200 1.8 mA 14 mA 0.56309 mA
TSFF5400 0.33462 mA 2.7 mA 0.10725 mA
Kosten:
Photodiode BPV10NF BPV23NF LED TSFF5200 1.75 SFr 1.95 SFr
TSFF5400 O 1.90 SFr
